tema 25 - caracteristicas de las subestaciones electricas

Grado en ingeniera elctrica Instalaciones elctricas de alta tensin Tema 25

Profesor: Fco. J. Snchez Sutil (U.Jan-Dpto. Ing. Elctrica) Caractersticas de las subestaciones elctricas Pg. N 1

Objetivos

Contenidos

1.- Introduccin ................................................................................................................. 4

1.1.- Definicin .............................................................................................................. 4

1.2.- Papel de las subestaciones en el sistema elctrico ................................................... 5

1.3.- Tipos de subestaciones ........................................................................................... 5

1.4.- Caractersticas funcionales ...................................................................................... 7

2.- Seguridad y normativa .................................................................................................. 8

2.1.- Efecto corona, radio interferencia y nivel de ruido .................................................. 8

2.2.- Campos magnticos y elctricos ............................................................................. 9

2.3.- Proteccin contra el fuego ...................................................................................... 9

3.- Elementos principales.................................................................................................. 10

3.1.- Barras ................................................................................................................... 10

3.2.- Posiciones, celdas, bahas y calles ......................................................................... 12

3.3.- Aparamenta ......................................................................................................... 12

3.4.- Parques ................................................................................................................ 13

3.5.- Edificaciones en las subestaciones ........................................................................ 13

4.- Configuraciones .......................................................................................................... 13

4.1.- Simple barra ......................................................................................................... 14

4.2.- Doble barra .......................................................................................................... 14

4.3.- Interruptor y medio .............................................................................................. 15

4.4.- Anillo simple ........................................................................................................ 16

4.5.- Otras configuraciones ........................................................................................... 16

4.5.1.- Doble barra y doble interruptor ..................................................................... 16

4.5.2.- Anillo ampliable ............................................................................................. 17

4.5.3.- Configuracin en H ....................................................................................... 17

4.6.- Barra partida ........................................................................................................ 18

4.7.- Bypass .................................................................................................................. 18



4.8.- Barra de transferencia ........................................................................................... 19

5.- Explotacin ................................................................................................................. 19

6.- Mando local, telemando y telecontrol ......................................................................... 19

7.- Niveles jerrquicos de mando ..................................................................................... 20

8.- Enclavamiento ............................................................................................................ 20

9.- Caractersticas generales de la aparamenta de potencia ............................................... 21

9.1.- Condiciones normales y mximas de trabajo ........................................................ 21

9.2.- Alimentacin de los circuitos auxiliares ................................................................. 22

9.3.- Condiciones ambientales ...................................................................................... 22

9.4.- Grados de proteccin de las envolventes .............................................................. 23

10.- Coordinacin de aislamiento ..................................................................................... 24

10.1.- Caractersticas y soportabilidad de los asilamientos ............................................. 24

11.- Criterios generales de definicin de la configuracin de una subestacin .................. 25

12.- Ejemplo de maniobras en doble con barra de transferencia ....................................... 27

13.- Codificacin IP.......................................................................................................... 30

14.- Codificacin IK ......................................................................................................... 32

Figura 1: Red elctrica espaola ........................................................................................ 4

Figura 2: Subestacin elctrica .......................................................................................... 5

Figura 3: Subestacin AIS .................................................................................................. 6

Figura 4: Subestacin GIS .................................................................................................. 6

Figura 5: Subestacin AIS elevadora situada en una central ............................................... 7

Figura 6: Procedimiento de actuacin para el diseo de una subestacin elctrica ............ 8

Figura 7: Campos elctricos y magnticos .......................................................................... 9

Figura 8: Elementos principales de una subestacin elctrica ........................................... 10

Figura 9: Barras rgidas .................................................................................................... 11

Figura 10: Barras flexibles ................................................................................................ 11

Figura 11: Posicin de lnea en subestacin de barra simple ............................................ 12

Figura 12: configuracin de simple barra ......................................................................... 14

Figura 13: Configuracin de doble barra ......................................................................... 15

Figura 14: Configuracin de interruptor y medio ............................................................. 15

Figura 15: Configuracin en anillo simple ........................................................................ 16

Figura 16: Configuracin de doble barra y doble interruptor ........................................... 17

Figura 17: Configuracin en anillo ampliable ................................................................... 17

Figura 18: Configuracin en H ........................................................................................ 17

Figura 19: Configuracin en barra partida ....................................................................... 18

Figura 20: Configuracin en bypass ................................................................................. 18

Figura 21: Configuracin con barra de transferencia ........................................................ 19

Figura 22: Centro del mando y control centralizado ........................................................ 20

Figura 23: Enclavamiento seccionador de lnea con seccionador de tierra ....................... 21

Figura 24: Aparamenta de alta tensin ............................................................................ 21

Figura 25: Subestacin sometida a condiciones climatolgicas adversas .......................... 23

Figura 26: Aislamiento en una subestacin elctrica ........................................................ 24

Figura 27: Situacin de partida ........................................................................................ 27

Figura 28: Interruptor de acoplamiento cerrado .............................................................. 27

Figura 29 ......................................................................................................................... 28

Figura 30 ......................................................................................................................... 28

Figura 31 ......................................................................................................................... 28

Figura 32 ......................................................................................................................... 28

Figura 33 ......................................................................................................................... 28

Figura 34 ......................................................................................................................... 28



Figura 35 ......................................................................................................................... 29

Figura 36 ......................................................................................................................... 29

Figura 37 ......................................................................................................................... 29

Figura 38 ......................................................................................................................... 29

Figura 39 ......................................................................................................................... 29

Figura 40 ......................................................................................................................... 29

Figura 41 ......................................................................................................................... 30

Figura 42 ......................................................................................................................... 30

Figura 43: Codificacin IP ............................................................................................... 30

Figura 44: Significado de las cifras en la codificacin IP ................................................... 31

Tabla 1: Tecnologas empleadas en la subestaciones en la red de transporte ...................... 7

Tabla 2: Valores de diseo de la aparamenta de potencia ................................................ 22

Tabla 3: Aparamenta necesaria por tipo de subestacin con 6 posiciones......................... 25

Tabla 4: Factores a tener en cuenta en la criticidad de una subestacion ........................... 26

Tabla 5: Horas de indisponibilidad de una subestacin elctrica ...................................... 26

Tabla 6: Horas de mantenimiento por ao en una subestacin elctrica ........................... 26

Tabla 7: Coste de una subestacin elctrica ..................................................................... 27

Tabla 8: Significado de las letras en la codificacin IP ....................................................... 32

Tabla 9: Factor IK ............................................................................................................. 32



1.- Introduccin El sistema de transporte de energa est formado por dos elementos bsicamente.

Lneas elctricas que permiten la transmisin de potencia.

Subestaciones que tienen la funcin de interconexin de las lneas y transformarlas a diferentes niveles de tensin existentes en las diferentes redes.

Figura 1: Red elctrica espaola

1.1.- Definicin Se puede definir una subestacin elctrica como un nodo de interconexin de circuitos, de manera directa o mediante transformacin para conectar redes a distintos niveles de tensin. Mirando las subestaciones desde el punto de vista del operador del sistema, podemos definir estas como, un conjunto de elementos que tienen como funcin regular los parmetros elctricos como son la tensin, frecuencia, flujos de carga, potencias activa y reactiva. En Espaa las tensiones tpicas de las subestaciones elctricas dedicadas a transporte son de 220 y 400 kV. Las subestaciones insulares tienen un nivel de tensin de transporte de 66 kV. En el contexto mundial, se dan subestaciones elctricas con tensiones que llegan hasta los 1000 kV, como es el caso de la figura siguiente, que muestra una instantnea de la subestacin de Jingmen en China, construida con tecnologa hbrida.



Figura 2: Subestacin elctrica

1.2.- Papel de las subestaciones en el sistema elctrico Este tipo de instalaciones desempea una funcin fundamental en el sistema elctrico, ya que da capacidad de maniobra, corte, control y medida sobre la red de transporte. Dependiendo del servicio que ofrecen, pueden dividirse en.

Subestaciones elevadoras o de generacin. Su funcin es interconectar dos o ms sistemas que tienen diferentes tensiones, de forma que el flujo de potencia tiene el sentido de menor a mayor tensin. Como es de suponer es utilizada en las instalaciones de generacin, y normalmente elevan la tensin desde 10, 15, 20 o 30 kV, optimizadas para la potencia de los generadores de los que parten, hasta los 132, 220 o 400, que son las idneas para el transporte de energa.

Subestaciones de interconexin o transporte. Son las subestaciones del sistema elctrico que conectan de forma directa, redes que presentan el mismo nivel de tensin. Como principal funcin presentan el rol de asegurar un mallado adecuado de la red.

Subestaciones transformadoras. Son las subestaciones, que dentro de la red de transporte, tienen como funcin conectar dos o ms redes de distintos niveles de tensin. Como las de interconexin, pretenden lograr un adecuado mallado de la red.

Subestaciones reductoras o de distribucin. Son aquellas las que con una tensin de transporte de 132, 220 y 400 kV, dan potencia a una red de distribucin a tensiones de 66, 45, 30 o 20 kV, preferentemente. En algunos casos muy especiales, para consumidores que requieren grandes cantidades de energa elctrica, tienen que conectarse directamente a la red de transporte.

1.3.- Tipos de subestaciones Las subestaciones elctricas pueden ser clasificadas en funcin de su nivel de tensin, en funcin de su aparellaje (convencional o blindada), su ubicacin (rural o urbana) y su configuracin (nmero de barras, bypass, transferencia, barras partidas o nmero de interruptores).



Una subestacin cuyo aislamiento es el aire o convencional, conocidas como AIS (Ais Insulated Swithgear), es aquella en la que el aislamiento a tierra y los conductores de base la proporciona de forma principal el aire a presin atmosfrica.

Figura 3: Subestacin AIS

Las subestaciones blindadas o aisladas en gas, conocidas como GIS (Gas Insulated Switchgear), son las que se encuentran bajo envolvente metlica aislada en algn gas, fundamentalmente hexafluoruro de azufre SF6.

Figura 4: Subestacin GIS

Ambos tipos de subestaciones pueden existir en instalaciones interiores dentro de una edificacin, o bien exteriores a la intemperie, dependiendo del diseo que presenten para soportar las condiciones climticas externas.



Por otro lado existen las subestaciones con tecnologa hbrida, conocidas como HIS (Highly Integrated Switchgear), que combinan la tecnologa de las subestaciones AIS y GIS. En funcin de la tecnologa y la ubicacin en la red de transporte espaola se tiene.

Tabla 1: Tecnologas empleadas en la subestaciones en la red de transporte

Tipo AT 220 kV AT 400 kV Coste Espacio necesario

Convencional exterior 80,32% 86,92% Muy bajo Muy alto

Convencional interior 0,53% 0,00% Bajo Muy alto

Blindada exterior 6,38% 7,69% Alto Muy bajo

Blindada interior 12,50% 1,54% Muy alto Muy bajo

Hbrida exterior 0,00% 3,85% Medio Medio-alto

Hbrida interior 0,27% 0,00% Medio-alto Medio-alto

Para definir la tecnologa a usar se realiza en funcin de las necesidades elctricas, ubicacin (urbanas o rurales), circunstancias medioambientales (impacto ambiental, contaminacin y climatologa), espacio disponible y costes. Por norma general la tecnologa GIS y las instalaciones de interior son las ms caras.

1.4.- Caractersticas funcionales Para que una subestacin elctrica cumpla con su funcin dentro del sistema elctrico, en funcin de su construccin, operacin y mantenimiento, deben tener las caractersticas siguientes.

Versatilidad. Ha de tener la capacidad de hacer flexible su funcionamiento, que le permita operar en el sistema elctrico en cualquier momento en condiciones ptimas, de forma que se adapte a los posibles fallos de elementos y aparamenta por fallos o mantenimiento.

Seguridad. Deben ser capaces de aislar faltas, de una forma rpida y eficaz, de forma que afecte al menor nmero de elementos y de forma que se mantenga el servicio los circuitos sin fallo alguno.

Fiabilidad. Con un funcionamiento simple, rpido y que sea eficiente, tanto para el sistema de control, como para la aparamenta y su forma de maniobrar.

Capacidad de ampliacin. Soportar de forma adecuada las ampliaciones a medio y largo plazo en coordinacin con el desarrollo de la red de transporte.

Criticidad. Debe ser una media ponderada que debe tratar el efecto que provoca una falta, la velocidad con la que esta se repara y la frecuencia con la que ocurre, dentro del contexto del sistema elctrico.

Coste. Considerando el valor de la instalacin inicial, las ampliaciones, repotenciaciones, mantenimiento, explotacin y vida til.

Figura 5: Subestacin AIS elevadora situada en una central



2.- Seguridad y normativa Como una infraestructura elctrica que es, una subestacin elctrica ha de cumplir con la normativa vigente y que le es de aplicacin. Por tanto ha de cumplirse la siguiente normativa.

Normativa legal. Reglamento de alta tensin, Reglamento electrotcnico de baja tensin, Reglamento unificado de puntos de medida en el sistema elctrico, Cdigo tcnico de la edificacin, normas de seguridad en prevencin de riesgos laborales, trabajos en tensin, seguridad de las instalaciones y personas, etc.

Recomendaciones nacionales e internacionales. Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE), International Electrical Committee (IEC), International Stantadards Institution (ISO), Normativa Espaola (UNE), certificaciones AENOR, etc.

Instrucciones propias de sector. Procedimientos generales, Procedimientos tcnicos, Instrucciones tcnicas, Guas de actuacin, Especificaciones tcnicas, Manuales bsicos, Modelos.

Figura 6: Procedimiento de actuacin para el diseo de una subestacin elctrica

Por otra parte, en el transporte de energa elctrica han de tenerse en cuenta una lista de circunstancias especiales que obligan a disponer de una normativa especfica, como puede ser el efecto corona, radio interferencia, nivel de ruido, campos elctrico y magntico y proteccin frente a agentes externos.

2.1.- Efecto corona, radio interferencia y nivel de ruido El efecto corona es uno de los elementos que hay que tener en cuenta en las instalaciones de alta tensin debido a sus importancia. As este efecto se produce cuando el aire se hace conductor debido a una elevacin excesiva del potencial elctrico que hace romper su rigidez dielctrica. Si la tensin es lo suficientemente elevada puede verse un halo de color azulado sobre el conductor, que indica que el aire se ha ionizado. Causa efectos como la radio interferencia y un ruido audible, que puede llegar a ser importante. El comit de perturbaciones radioelctricas (CISPR) es el organismo que regula en la materia.



2.2.- Campos magnticos y elctricos Como es conocido la fsica nos dice que campo es la zona del espacio donde se dan fuerzas. As de esta forma el campo gravitatorio seria la zona donde hay una fuerza responsable de que los cuerpos tengan un determinado peso. Por tanto un campo electromagntico es una zona donde se manifiestan campos elctricos y magnticos, que son creados por cargas elctricas y el movimiento que producen.

Figura 7: Campos elctricos y magnticos

Los campos electromagnticos que se producen en nuestro entorno, como son el campo elctrico y magntico esttico natural de la tierra, los rayos X y gamma provenientes del espacio y los rayos infrarrojos y ultravioletas que emite el sol, sin olvidar que la propia luz visible es una radiacin electromagntica, forman parte del espectro electromagntico y se diferencian en la frecuencia. La frecuencia determina sus caractersticas fsicas, y los efectos biolgicos que pueden producir en los organismos expuestos a ellos. En la gama alta de frecuencias, se transmite energa en una onda electromagntica con un valor tan elevado que puede daar el material gentico de una clula (ADN) y por tanto ser capaz de iniciar un proceso cancergeno, estamos hablando de los rayos X. Las radiaciones que se sitan en esta zona del espectro se las llama ionizantes. Pero el sistema elctrico, como es conocido, trabaja a frecuencias muy bajas, del orden de 50 o 60 Hz, conocida como frecuencia industrial, y por tanto se encuentra dentro de la regin donde las radiaciones del espectro no son ionizantes, de tal forma que transmiten muy poca energa. Con el aadido que estas frecuencias tan bajas el campo electromagntico no es capaz de desplazarse, como lo hacen por ejemplo las ondas de radio, lo cual lleva consigo que desaparece a una distancia corta de la fuente que lo ha generado.

2.3.- Proteccin contra el fuego Todos los materiales usados en la construccin de instalaciones elctricas de alta tensin deben ser los ms ignfugos posibles, de forma que no propaguen la llama, sean auto extinguibles, anti goteos y no propaguen humos ni gases txicos.



3.- Elementos principales La figura siguiente muestra los principales elementos de una subestacin elctrica.

Figura 8: Elementos principales de una subestacin elctrica

3.1.- Barras Se conoce por barra, al conductor de baja impedancia que hace las funciones de nodo al cual se conectan circuitos a la misma tensin. Por otra parte el juego de barras se denomina al conjunto de elementos necesario para realizar una conexin que es comn a varios circuitos, como ejemplo se puede citar el conjunto de barras que interconectan cada una de las fases en un sistema trifsico. Como caracterstica principal tienen la capacidad de transmitir grandes cantidades de potencia elctrica. La seccin ha de estar en concordancia con la intensidad mxima admisible, la potencia de cortocircuito de la zona y los esfuerzos electrodinmicos a los que va a estar sometida. Cuando el conductor es un tubo, hablamos de barras rgidas. Son tubos que aluminio hueco que suelen tener dimetro exterior de hasta 250 mm y espesor de 20 mm, para tensiones de 400 kV e intensidades de corto de 50 kA. En el interior se introduce un cable que tiene como finalidad la reduccin de vibraciones.



Figura 9: Barras rgidas

Para su sujecin se utilizan aisladores soporte, que bien pueden ser cermicos o polimricos.

Si para realizar estas funciones se utiliza un cable, hablamos de barras flexibles. Estos conductores suelen ser tipo Lapwing o similares, que ofrecen menor resistencia elctrica, y se instalan de forma parecida a un conductor de una lnea.

Figura 10: Barras flexibles

La interconexin de los elementos de alta tensin en las subestaciones puede hacerse mediante un tubo o conductor flexible. De forma general al conjunto de conductores de alta que se disponen en una subestacin se le denomina embarrado.



3.2.- Posiciones, celdas, bahas y calles Podemos denominar las posiciones de una subestacin como el conjunto de elementos que son necesarios para conectar un circuito (lnea, transformador, reactancia, acoplamiento, banco de condensadores, etc.) a las barras en las condiciones adecuadas, con la funcin de maniobra, corte, medida o proteccin. Por otro lado se conoce una celda como la parte aislable de elctricamente de una subestacin que comprende los dispositivos de control y maniobra de un circuito dado. Como diferencia principal entre posicin y celda podemos decir que esta ltima puede ser aislada elctricamente del resto de los elementos de la subestacin. Dependiendo de la configuracin adoptada en la subestacin, pueden coincidir celdas y posiciones. Otro trmino importante dentro de una subestacin es el de calle o baha, y suele emplearse para nombrar al conjunto de elementos, celdas y embarrados que conectan dos posiciones a dos barras simultnea y coordinadamente en configuraciones de interruptor y medio. Para el resto de configuraciones, baha es igual a posicin.

Figura 11: Posicin de lnea en subestacin de barra simple

3.3.- Aparamenta Se conoce por aparamenta a todos aquellos elementos que estn sometidos a alta tensin y que son necesarios para operar y explotar el sistema elctrico en condiciones de seguridad, fiabilidad y eficiencia, con las funciones principales asignadas de maniobra,



regulacin, medida y proteccin. En este punto se engloban los elementos de alta tensin o de potencia. El conjunto de la aparamenta contiene a elementos de corte de corriente como son los interruptores, de aislamiento visible o seccionadores, de transformacin para medida y proteccin denominados transformadores de tensin e intensidad, reactancias y bancos de condensadores que compensan la generacin o consumo excesivo de energa reactiva y regulan la tensin, autovlvulas o pararrayos, red de tierras, bobinas de bloqueo, etc.

3.4.- Parques En las subestaciones que disponen de varios niveles de tensin, se dividen en parques. As pues, una subestacin transformadora puede tener, por ej un parque de 220 kV y otro de 66 kV, con posiciones de transformacin que conecten ambos parques.

3.5.- Edificaciones en las subestaciones En funcin de la configuracin, la tecnologa de aislamiento empleada en la aparamenta y las dimensiones de la instalacin, las subestaciones elctricas poseen edificaciones en las que se aloja el equipamiento elctrico que no es capaz de estar a la intemperie, como son sistemas secundarios, puestos de mando, etc. Por tanto, es habitual construir casetas de rels que se encuentran distribuidas a lo largo del parque con el equipamiento secundario que se encuentra asociado a las posiciones ms prximas. Tambin se suele disponer de un edificio de control en el que se instalan los servicios generales de la subestacin, como son, el puesto de mando, sealizacin remota, cuadros de servicios auxiliares, talleres, almacenes, etc.

4.- Configuraciones El diagrama de barras o configuracin de una subestacin define las conexiones entre los distintos circuitos y redes en funcin de las necesidades del sistema. Por tanto, como es lgico suponer, existen varias configuraciones para las subestaciones, como son.

El nmero de barras que tiene el parque.

El nmero de interruptores y seccionadores que intervienen en cada posicin.

La disposicin espacial de la aparamenta.

La disponibilidad de puentes maniobrables para trabajos de mantenimiento.

La utilizacin de barras auxiliares de transferencia.

La necesidad de separar redes en la subestacin, lo que se denomina barras partidas.

En los siguientes apartados se van a tratar las configuraciones ms habituales de subestaciones. Se van a utilizar esquemas unifilares de simplificados representando una sola fase y los elementos de corte, interruptores (52) y seccionadores (89), de acuerdo con la simbologa ofrecida por la norma UNE 20004.



4.1.- Simple barra En este caso solo se instala un juego de barras (B) y de un interruptor (52) por posicin. Los seccionadores (89) solo son necesarios para aislar las celdas de los interruptores. El funcionamiento, como se puede suponer, es muy sencillo, pero poco verstil, debido a que cualquier falta con fallo de interruptor1 o falta en barras, afecta a toda la subestacin. Por en contrario esta configuracin ofrece muchas facilidades de ampliacin, pero por criterios tcnicos y de seguridad es recomendable limitar el nmero de posiciones a 4. Debido a la poca cantidad de elementos que necesita, es una subestacin con un coste relativo muy bajo.

Versatilidad

Seguridad

Fiabilidad Ampliabilidad

Coste

(Comparaciones relativas frente a otras

configuraciones)

4.2.- Doble barra Para esta disposicin disponemos de dos juegos de barras (B1 y B2) y de un interruptor (52) por posicin, adems de aislar las celdas de los interruptores, se selecciona la barra a la que se quiere conectar. Es habitual disponer de una posicin adicional de acoplamiento para acoplar o separar barras, en funcin de las necesidades del sistema. Es una configuracin muy comn, debido a su equilibrio entre caractersticas, seguridad y coste. Adems permite separar las barras y operar como dos subestaciones de simple barra independientes. Si bien su funcionamiento es sencillo, cualquier falta con fallo de interruptor o falta en barras, afecta a las posiciones conectadas a la barra.

1 Fallo de interruptor. Es un de los ms graves que pueden ocurrir en una subestacin en lo referente a

la prdida de servicio. Se da cuando, ante una falta y la correspondiente actuacin de las protecciones, alguno de los interruptores ms prximos, que aslan la zona de cortocircuito no abre. En este caso deben hacerlo los interruptores adyacentes afectando a una zona ms amplia de la red.

Figura 12: configuracin de simple barra



Versatilidad

Seguridad

Fiabilidad Ampliabilidad

Coste

(Comparaciones relativas frente a

otras configuraciones)

4.3.- Interruptor y medio

Versatilidad Seguridad Fiabilidad

Ampliabilidad Coste


configuraciones)

Figura 13: Configuracin de doble barra

Figura 14: Configuracin de interruptor y medio



Como en el caso anterior tiene dos juegos de barras (B1 y B2) y de tres interruptores (52) por cada calle (dos posiciones con 1+1/2 interruptor por posicin). En este caso los seccionadores (89) sirven para aislar las celdas de los interruptores y separar la salida de cada lnea. Para esta disposicin no es necesaria la posicin de acoplamiento por poder acoplar las barras desde cualquiera de las calles. Se utiliza bastante en subestaciones crticas por su versatilidad, seguridad y capacidad de ampliacin, pero en cambio su coste es elevado. Cuando se producen faltas, se permiten el fallo de dos elementos principales sin la prdida del servicio en las posiciones sanas, con excepcin de la posicin que comparte calle con la no sana. Incluso con indisponibilidad de ambas barras permite mantener las calles en servicio de forma independiente.

4.4.- Anillo simple En esta configuracin no hay barras, por tanto se concatenan celdas de interruptor, hasta que estas cierren un anillo y en las uniones producidas se coloca una posicin. As de esta forma los seccionadores (89) aslan las celdas de los interruptores y separan la salida de lnea. Es posible mantener en servicio posiciones sanas ante ciertos fallos o faltas, abriendo el anillo. Pero por el contrario, ante otras incidencias como pueden ser el fallo doble, indisponibilidad y falta, fallo interruptor, etc., se ven afectadas todas las posiciones, de forma que afecta de forma grave a toda la red. Su utilizacin es elevada en subestaciones de generacin o elevadoras, enfrentando dos grupos con dos lneas, cada una de ellas con capacidad para evacuar toda la potencia de los dos grupos. Por tanto, ante fallo simple, es posible mantener en servicio los dos grupos.

Versatilidad Seguridad

Fiabilidad

Ampliabilidad

Coste


configuraciones)

4.5.- Otras configuraciones 4.5.1.- Doble barra y doble interruptor Esta dotada de dos juegos de barras (B1 y B2) y dos interruptores (52) por cada posicin.

Figura 15: Configuracin en anillo simple




Ampliabilidad Coste


configuraciones)

4.5.2.- Anillo ampliable En este caso el fundamento es realizar un anillo mallado, de forma que mejora la seguridad, pero por el contrario son necesarios unos sistemas de control ms complejos.


Ampliabilidad Coste


configuraciones)

4.5.3.- Configuracin en H Se utiliza en la distribucin, en la que hay pocas posiciones, por tanto mala ampliabilidad. Tiene alta versatilidad y bajo coste, al no disponer embarrados.


Fiabilidad

Ampliabilidad

Coste (Comparaciones relativas

frente a otras configuraciones)

Figura 16: Configuracin de doble barra y doble interruptor

Figura 17: Configuracin en anillo ampliable

Figura 18: Configuracin en H



4.6.- Barra partida Se suele emplear como opcin para reducir la potencia de cortocircuito, ya que permite modificar la red de forma fcil, partiendo de la subestacin en dos nudos independientes.


Ampliabilidad Coste


configuraciones)

4.7.- Bypass El bypass de la celda donde se aloja el interruptor posibilita mantener las posiciones en servicio mientras se realiza el mantenimiento de los interruptores, todo ello a un coste reducido. Para ello se introduce un seccionador que puentea la celda del interruptor. Si se produce una falta simple en la lnea con el bypass acoplado, afecta a toda la barra.


Fiabilidad

Ampliabilidad Coste

(Comparaciones relativas frente a otras configuraciones)

Figura 19: Configuracin en barra partida

Figura 20: Configuracin en bypass



4.8.- Barra de transferencia Ofrece la posibilidad de dejar indisponible una celda de forma que se mantiene la posicin en servicio mediante una barra de transferencia, de forma que se mejora la versatilidad. Por el contrario el coste aumenta, ya que ha de instalarse un nuevo embarrado y una posicin adicional.


Ampliabilidad Coste


configuraciones)

5.- Explotacin Se estima que la vida til de una subestacin ronda los 40 aos. En ese tiempo ha de ofrecer todas las capacidades para las que ha sido diseada, bajo explotacin de los requerimientos del operador del sistema. Por tanto es necesario un seguimiento y mantenimiento continuo de cada uno de sus elementos.

6.- Mando local, telemando y telecontrol Son necesarios sistemas de maniobra, captacin y reporte de informacin en incidencias. El mando local hace referencia a la operacin de los equipos del parque efectuada localmente en la subestacin, en edifico o caseta. Por la parte que le corresponde el telemando posibilita el mando y operacin de la subestacin de forma remota, desde diversas localizaciones. Para este menester el operador necesita de informacin del parque y un sistema de informacin que lo haga posible, labor que recae sobre el telecontrol que capta seales, automatismos, envo de seales al puesto de control, registra de forma cronolgica la operacin de la subestacin y transmite el mando de la subestacin al operador a distancia que la maneje.

Figura 21: Configuracin con barra de transferencia



7.- Niveles jerrquicos de mando En una subestacin existen distintos niveles de operacin.

Nivel 0 nivel de campo. Corresponde al accionamiento manual desde el propio mando del elemento. Su utilizacin se refiere nicamente a pruebas y mantenimiento sin tensin. Se habilita mediante un mando local/remoto. En condiciones de funcionamiento normal el mando esta en remoto de forma que permite el mando solo a travs de niveles jerrquicos superiores.

Nivel 1 nivel de posicin. Est normalmente ubicado en una caseta, y esta compuesto de un armario o bastidor de control, cuya funcin es recoger informacin de todos los elementos de maniobra de una posicin o calle y posibilita su operacin desde un sinptico. Por otra parte, tambin est dotado de un mando local/remoto que permite el mando a niveles jerrquicos superiores.

Nivel 2 nivel de subestacin. Es capaz de monitorizar todos los elementos de la subestacin de forma centralizada, situndose normalmente en el edificio de la subestacin. Es posible mandar la operacin de todos los mandos mediante un ordenador y un sistema SCADA o un sinptico general. Lo mismo que en los anteriores niveles dispone de un selector local/remoto para mando de un nivel jerrquico superior.

Nivel 3 nivel de despacho. El centro de control elctrico es el punto donde se opera de forma centralizada todo el sistema. Desde all es posible telemandar todos los elementos de mando de todas las subestaciones.

Figura 22: Centro del mando y control centralizado

Para subestaciones de pequeo tamao y en blindadas estos niveles tienen la posibilidad de reducirse, solapndose el nivel 1 con el 2 en el mismo equipamiento.

8.- Enclavamiento En el nivel 1 es donde se realizan los enclavamientos, y consisten en aplicar condiciones que deben cumplir la topologa de la subestacin para posibilitar la maniobra del elemento que se trate. De forma general, se inhabilita abrir los seccionadores, si por ellos circula corriente y cerrarlos cuando hay o puede haber una diferencia de tensin en los extremos del seccionador que lleve a una circulacin de corriente. Un enclavamiento tpico es la imposibilidad de cerrar el seccionador de lnea si el seccionador de puesta a tierra est cerrado.



Figura 23: Enclavamiento seccionador de lnea con seccionador de tierra

Estos enclavamientos pueden realizarse de forma mecnica, elctrica o por software, dependiendo de los criterios de seguridad y probabilidad de fallo.

9.- Caractersticas generales de la aparamenta de potencia La aparamenta de potencia se refiere a los equipos que trabajan en alta tensin, como son los interruptores, seccionadores, transformadores, etc. Cada uno de ellos posee una serie de caractersticas referentes a la tensin, intensidad, frecuencia, estabilidad, tiempos de actuacin, grados de proteccin, etc.

Figura 24: Aparamenta de alta tensin

9.1.- Condiciones normales y mximas de trabajo Un parmetro elctrico y su medida para la cual un equipo tiene un funcionamiento y rendimiento ptimo, es conocido como valor nominal. En la placa de caractersticas de cualquier equipo de alta tensin ha de venir especificada la tensin, intensidad o potencia y frecuencia nominales. Es normal tener valores normalizados que se utilizan en la fabricacin.



Existe un valor mximo de trabajo, que indica el valor mximo al que un equipo puede funcionar en rgimen permanente en condiciones de seguridad, si que se mermen en modo alguno sus capacidades, ni peligre su deterioro. Todo ello va asociado al margen de maniobra de la aparamenta. En lo referente a la frecuencia, los equipos elctricos funcionan a la frecuencia de 50 Hz, excepto en Estados Unidos, Centro Amrica, Brasil y Japn, donde la frecuencia es de 60 Hz. Para las tensiones mximas de trabajo tenemos las que fija el Reglamento de alta tensin. En cuanto a la normalizacin de intensidades tenemos.

1-1,25-1,6-2-2,5-3,15-4-5-6,3-8 (A) y sus mltiplos de 10n Estos valores son usados para sobre intensidades, intensidades nominales, mximas de trabajo, de cortocircuito, mxima de cresta, etc.

9.2.- Alimentacin de los circuitos auxiliares La tensin de alimentacin de los circuitos auxiliares de la aparamenta, es tambin una caracterstica bsica de la aparamenta. As se utilizan circuitos de corriente alterna a 50 Hz, con una tensin de 400 V en trifsica y 230 V en monofsica. Para lo referente a corriente continua tenemos 220, 125 y 48 V.

9.3.- Condiciones ambientales Las condiciones ambientales para las que se disea la aparamenta, son dependientes de la ubicacin interior o exterior y si se trata de zonas climatolgicas extremas. Normalmente se siguen las directrices de la tabla siguiente.

Tabla 2: Valores de diseo de la aparamenta de potencia

Temperatura ambiental mxima



Nivel isocerunico de la zona.

Velocidad del viento no superior a 34 m/s.

Aparicin de capa de hielo y su espesor mximo. En instalaciones situadas a ms de 1000 m de altura, el nivel de aislamiento debe hallarse multiplicando las tensiones soportadas por un factor Ka. En el caso de asilamiento interno, se mantienen las caractersticas para cualquier altitud. En lo relativo al material de mando auxiliar de baja tensin, no es preciso realizar ajuste si es inferior a los 2000m.

Figura 25: Subestacin sometida a condiciones climatolgicas adversas

De manera especial se deber proteger la aparamenta situada en climas especialmente adversos y lmites, muy fros, hasta los -50C, o muy clidos, hasta los 50C, o muy hmedos, con una humedad relativa media en 24 h superior al 98%.

9.4.- Grados de proteccin de las envolventes Las envolventes de los equipos elctricos constituyen preventiva y funcionalmente un elemento importante. Deben proporcionar una proteccin contra contactos directos de las personas y una proteccin del equipo contra la penetracin de agentes ambientales slidos y lquidos, cdigo IP, y contra los impactos mecnicos externos, cdigo IK. La norma UNE 20010 define el grado de proteccin de las envolventes estimado en los conceptos siguientes.

Proteccin contra la penetracin de una parte del cuerpo humano o de un objeto cogido por una persona, y simultneamente, contra la penetracin de objetos slidos extraos.

Proteccin contra la penetracin de agua.

Proteccin contra los impactos mecnicos.

Para cada uno de estos conceptos se establecen unos ndices de proteccin en funcin del nivel de estanqueidad y robustez que proporcione una envolvente.

Cdigo IP. Sistema de codificacin para indicar los grados de proteccin proporcionados por una envolvente contra el acceso a partes peligrosas, la penetracin de cuerpos slidos extraos, la penetracin de agua y para suministrar una informacin adicional unida a la referida proteccin, segn norma UNE 20324.



Cdigo IK. Sistema de codificacin para indicar el grado de proteccin proporcionado por una envolvente contra los impactos mecnicos nocivos, segn UNE-EN 50102.

10.- Coordinacin de aislamiento El nivel de aislamiento puede relacionarse con la capacidad de un elemento para poder soportar sobretensiones a frecuencia industrial. Este trmino de coordinacin de aislamiento abarca un espectro ms amplio en el que se integran la diversidad de sobretensiones y frecuencias a las que puede estar expuesto un determinado equipo, para maniobras o faltas. Una posible definicin de coordinacin de aislamiento podra ser como dimensionamiento de los aislamientos de acuerdo con los materiales empleados, las caractersticas de las solicitaciones dielctricas y los elementos de proteccin contra las sobretensiones. Para que la aplicacin sea correcta, es exigible un conocimiento previo de las solicitaciones dielctricas a las que se someten los aislamientos, de cmo se comportan ante estas solicitaciones y de la tasa de fallos permitida, que indica el nmero de fallos por ao que se producen y el tiempo entre dos fallos consecutivos.

Figura 26: Aislamiento en una subestacin elctrica

La coordinacin de aislamiento en las subestaciones, no es un problema balad y puede llegar a complicarse en un alto grado. En estas instalaciones conviven dos tipos de aislamientos, la responsabilidad y el coste de los aparatos pueden variar de unos a otros y las solicitaciones dielctricas no afectan a todos con la misma importancia.

10.1.- Caractersticas y soportabilidad de los asilamientos La aparamenta y equipos instalados en las subestaciones han de llevar instaladas tambin una proteccin contra faltas. Estas faltas pueden estar causadas por cortocircuitos de fase-tierra, fase-fase o trifsicos, descargas de origen atmosfrico, derivaciones de corriente a tierra, etc.



Dependiendo del elemento, su uso y funcionalidades exigidas, ha de tenerse en cuenta la influencia de los siguientes factores en una buena prctica de coordinacin de aislamiento.

Corriente de cortocircuito, que debe ser la mxima corriente dada por el cortocircuito trifsico. Viene definida por las condiciones de la red y debe ser calculada con el valor actual y el previsible para un futuro de la vida til del elemento.

Estabilidad transitoria, que esta dada en funcin de la duracin de la corriente de cortocircuito y de la forma de onda de la sobretensin.

Lmites de tiempo de despeje de falta y condiciones de reconexin.

Corriente mxima a travs del neutro del transformador principal.

Corriente mnima de cortocircuito y mnima derivacin a tierra para la sensibilidad de las protecciones.

Tensin nominal, tensin mxima de servicio, tensin de impulso tipo maniobra, tensin de impulso tipo rayo, tensin mxima soportada de frente de onda y lnea de fuga.

Naturaleza del aislamiento, si es autorregenerable o no.

Condiciones atmosfricas, humedad, densidad del aire, viento y pluviosidad.

Nivel de contaminacin.

Estado fsico, envejecimiento, fatigas mecnicas, deformaciones, efectos qumicos, etc.

11.- Criterios generales de definicin de la configuracin de una subestacin Son variadas las circunstancias y caractersticas que hay que tener en cuenta para definir la configuracin de una subestacin. Como ejemplo prctico se puede tomar las siguientes tablas que permiten valorar las distintas opciones.

Tabla 3: Aparamenta necesaria por tipo de subestacin con 6 posiciones

Tipo Barras Interr. Secc. TIs TTs

Simple barra 1 6 12 6 7

Simple barra partida 1 7 14 7 7

Simple barra con bypass 1 6 24 6 7

Simple barra con transferencia 1 6 24 6 7

Doble barra 2 7 20 7 8

Doble barra con bypass 2 7 32 7 8

Doble barra con transferencia 3 8 29 8 9

Doble barra con 2 transferencias 4 9 32 9 10

Interruptor y medio 2 9 24 9 8

Doble barra con doble interruptor 2 12 24 12 8

Triple barra 3 8 32 8 9

Anillo simple 0 6 18 6 6

Criticidad y posibles prdidas debido a fallos en la zona o elementos adyacentes, lneas, centrales, transformadores, etc. La tensin de trabajo, intensidad de cortocircuito y potencia nominal pueden ser medidores de la criticidad.



Tabla 4: Factores a tener en cuenta en la criticidad de una subestacion

Factor Inte. Secc. Barras

Tasa de fallos (veces/100 aos) 3,5 0,5 0,5

Tiempo de reparacin (h) 50 10 11

Tiempo de mantenimiento (h/ao) 30 10 50

Las indisponibilidades son inferiores mientras mayor es la versatilidad de la configuracin. El nmero de barras y de interruptores por posicin son ms influyentes.

Tabla 5: Horas de indisponibilidad de una subestacin elctrica

Indisponibilidad h/ao

Simple barra 915

Simple barra partida 782

Simple barra con bypass 1087

Simple barra con transferencia 845

Doble barra 374

Doble barra con bypass 304

Doble barra con transferencia 124

Doble barra con 2 transferencias 123

Interruptor y medio 183

Doble barra con doble interruptor 123

Triple barra 434

Anillo simple 183

Indisponibilidad por mantenimiento. Debido a las mejoras tecnolgicas, cada vez es menos importante en ese aspecto, pero entran en juego las facilidades para realizar trabajos de renovacin y mejora de la aparamenta.

Tabla 6: Horas de mantenimiento por ao en una subestacin elctrica

Mantenimiento h/ao Inter. Secc. Barras Total

Simple barra 180 120 50 350

Simple barra partida 180 130 50 360

Simple barra con bypass 180 180 50 410

Simple barra con transferencia 210 200 100 510

Doble barra 210 200 100 510

Doble barra con bypass 210 320 100 630

Doble barra con transferencia 210 280 150 640

Doble barra con 2 transferencias 240 310 200 750

Interruptor y medio 270 240 100 610

Doble barra con doble interruptor 360 240 100 700

Triple barra 240 320 150 710

Anillo simple 180 180 360

Superficie disponible y pasillos de acceso para las lneas de transporte. El nmero de embarrados y de celdas por posicin aumenta mucho el espacio necesario para la subestacin. Configuraciones como doble barra con barra de transferencia o triple barra son las que ms espacio requieren para su instalacin.



Posibilidades de ampliacin, ya que hay configuraciones que no admiten cierto nmero de ampliaciones. Debe preverse la planificacin a largo plazo.

En funcin del entorno en el que se instale la subestacin, el espacio disponible y las necesidades a medio-largo plazo, se decidir la tecnologa a emplear. Esta eleccin puede ser otro condicionante de la configuracin de la subestacin.

El coste es un factor fundamental. La tabla siguiente desglosa los precios de cada una de las secciones en las que se puede dividir un proyecto de construccin de una subestacin, y en la ltima lnea, el porcentaje de desviacin en la relacin a la configuracin doble barra.

Tabla 7: Coste de una subestacin elctrica

Precio SB %

SBp %

SB+T %

DB %

DB+bp %

DB+T %

DB+2T %

IyM %

DB+DI %

TB %

AnS %

Aparamenta 35 35 36 37 37 35 37 40 42 38 34

Embarrados 3 3 4 4 5 5 5 4 4 4 3

Estructuras 6 6 7 7 8 7 7 7 7 7 6

Obra civil 15 16 15 16 17 20 19 13 14 18 17

Edificios 5 5 4 4 3 3 3 4 3 3 4

Control y S.A. 27 26 25 23 20 29 18 22 20 18 25

Instalaciones 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1

Montaje y PES 3 3 4 4 5 5 5 5 4 5 4

Emplazamiento 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1

Ingeniera 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3

% Sobre DB 80 83 90 100 128 125 130 105 121 129 89

12.- Ejemplo de maniobras en doble con barra de transferencia En este punto se va a tratar a modo de ejemplo los que pasos que se deben seguir cuando se va a realizar un cambio de barras de una posicin en el caso de doble barra con barra de transferencia. En este tipo de subestaciones, su explotacin normal es el acoplamiento cerrado y la mitad de las cargas y los generadores a cada barra. Empezando con todas las posiciones a la misma barra, se debe primero cerrar el acoplamiento.

Figura 27: Situacin de partida

Figura 28: Interruptor de acoplamiento cerrado



Figura 29

Figura 30

Las dos barras quedan unidas desde el acoplamiento, por eso se pueden cerrar los seccionadores de barra de la posicin que se quiere cambiar de barras.

Figura 31

Figura 32

Al abrir el seccionador de la barra de la que se quiere quitar la posicin, se observa como aparece un flujo de cargas por el acoplamiento. Si en esas condiciones se quiere cambiar otra posicin de barras, ahora puede existir un flujo de cargas entre las barras por los seccionadores cerrados de una sola posicin, pero siempre est respaldado por el interruptor de acoplamiento. Queda la subestacin en condiciones de explotacin normales.

Figura 33

Figura 34



Seguidamente se desea realizar el mantenimiento de los interruptores, por lo cual se decide transferir la posicin a travs de la barra de transferencia. Las primeras operaciones corresponden a la prueba de barra, por si est en falta que tenga un interruptor para cortar el aporte de corriente.

Figura 35

Figura 36

Ntese que se cierra el seccionador de barras de la posicin de transferencia en funcin de la barra a la que est acoplada la posicin que se desea transferir.

Figura 37

Figura 38

Posteriormente se procede a transferir la posicin cerrando el correspondiente seccionador de transferencia y acoplando barras.

Figura 39

Figura 40



Una vez alimentada la lnea desde la transferencia, se puede aislar la celda del interruptor para proceder con las operaciones de mantenimiento en condiciones de seguridad, manteniendo el servicio en todo momento.

Figura 41

Figura 42

13.- Codificacin IP Se identifica mediante las siglas IP seguidas de dos cifras, que pueden ser sustituidas por la letra "X" cuando no se precisa disponer de informacin especial de alguna de ellas. Las cifras suelen ir seguidas de una o dos letras que proporcionan informacin adicional.

Figura 43: Codificacin IP

Las letras adicionales indican el grado de proteccin de personas contra el acceso a partes peligrosas y su utilizacin, que como se ha dicho es opcional, se reserva a aquellos supuestos en que la proteccin efectiva del acceso a la parte peligrosa es ms eficaz que la indicada por la primera cifra (por ejemplo mediante un diseo especial de las aberturas que limitan el acceso a las partes en tensin) o cuando la citada primera cifra ha sido reemplazada por una X.

Se identifican con los cdigos A, B, C, D y su significado se corresponde respectivamente con el de las cifras 1, 2, 3, 4.

Una envolvente no puede ser designada por un grado de proteccin indicado por una letra adicional si no garantiza que satisface tambin todos los grados de proteccin inferiores.



Las letras suplementarias, con carcter asimismo opcional, indican que el producto satisface unas condiciones particulares que, en cualquier caso, deben responder a las exigencias de la norma de seguridad bsica aplicable.

Cuando se aaden letras suplementarias se sitan despus de la ltima cifra caracterstica o despus de la letra adicional en el caso de que asimismo se haya aadido letra adicional.

Figura 44: Significado de las cifras en la codificacin IP



Tabla 8: Significado de las letras en la codificacin IP

Letras Significado

H Aparato de alta tensin

M Ensayo de verificacin de la proteccin contra penetracin de agua, realizado con las partes mviles del equipo en movimiento

S Ensayo de verificacin de la proteccin contra penetracin de agua, realizado con las partes mviles del equipo en reposo

W Material diseado para utilizarse en unas determinadas condiciones atmosfricas que deben especificarse, y en el que se han previsto medidas o procedimientos complementarios de proteccin

14.- Codificacin IK

Se identifica mediante las siglas IK seguidas de una cifra de dos dgitos, representativa de la resistencia a una determinada energa de impacto que una envolvente puede soportar sin sufrir deformaciones peligrosas.

El grado de proteccin que garantiza el cdigo IK se aplica a la envolvente en su

totalidad. Si alguna parte de la misma tiene grado de proteccin diferente, debe indicarse por

separado.

Tabla 9: Factor IK

IK Energa de impacto en julios

0 Ninguna proteccin

1 Resistente a una energa de choque de 0,15 J





6 Resistente a una energa de choque de 1 J





Dado que las condiciones ambientales de muchos emplazamientos varan segn las

zonas, fases de proceso, etc., y que no todos los elementos elctricos dentro de un mismo emplazamiento requieren del mismo grado de proteccin, en la tabla 4 se indican los grados de proteccin mnimos que se considera deben proporcionar las envolventes del material elctrico instalado en dichos locales.

En general, todos los elementos de una instalacin elctrica tendrn un grado de proteccin adecuado a las condiciones ambientales extremas a que estn o puedan estar expuestos en el local o emplazamiento de uso, sea este emplazamiento fijo o eventual.

tema 25 - caracteristicas de las subestaciones electricas

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